Obiettivo

Studiare il comportamento della luce quando incontra un mezzo trasparente a superficie liscia.

Materiale

Torcia a penna (torcia che produce “macchie” di luce ben definite e abbastanza omogenee) Laser pointer Latte (poche gocce) Talco, gesso, bastoncino di incenso ….. cancellino, piumino da talco Bastoni di varie dimensioni Angolari metallici da fissare ai bastoni per costruire sostegni per le sorgenti. Scotch largo (da pacchi)

Bottiglie di plastica a sezione circolare da 0,5 e da 1,5- 2 litri. Le bottiglie piene d’acqua e legate con lo scotch a gruppi di 3- 4 possono essere usate come base per sostenere i bastoni. Contenitori  trasparenti di forme diverse: a base rettangolare e superfici laterali piane, a superficie laterale cilindrica, a boccia,…

Come procedere

1. Disporre il contenitore vuoto su un piano orizzontale. Fissare sul fondo del recipiente, all’interno, un cartoncino bianco e  puntare il raggio laser su di esso. Segnare dove arriva la luce del laser.
      
   

   
   Versare lentamente acqua nel recipiente e osservare dall’alto cosa accade alla macchia; si suggerisce di registrare la posizione sul foglio per almeno due diversi spessori d’acqua, uno circa doppio dell’altro. Segnare sul recipiente il livello raggiunto dall’acqua nei diversi casi.
    
   

2.  Ripetere l’esperienza utilizzando come sorgente la torcia a penna.
    

   
   In questo caso si tenga traccia, sul foglio, della forma e della dimensione della macchia luminosa per i diversi spessori d’acqua già utilizzati in precedenza. 
    

3. Riempire di acqua un recipiente trasparente a facce piane e parallele. Puntare il raggio laser contro la superficie libera dell’acqua avendo cura di disporre il pointer parallelo alla superficie laterale da cui si osserva e non lontano da essa; aggiungere all’acqua (mescolando) qualche goccia di latte finché il percorso del raggio laser al suo interno non diventi visibile.  
   Ponendo gli occhi all’altezza del contenitore visualizzare con talco o gesso la direzione del fascio laser in aria e confrontarla con quella in acqua.  
   Mantenendosi sempre sullo stesso piano, ripetere l’esperienza per varie inclinazioni del fascio laser, in particolare disporre il laser in direzione perpendicolare alla superficie libera dell’acqua.
    

    

4. Ripetere l’esperienza 3. sollevando il recipiente e appoggiando il laser pointer contro il fondo. Variare l’inclinazione del raggio da una posizione perpendicolare alla superficie libera dell’acqua   a una quasi parallela (se necessario, per aumentare l’angolazione si sposti il laser contro la parete laterale). Osservare il percorso del raggio laser in acqua e in aria.

Cosa si nota

1. Sul fondo del recipiente si nota una macchia rossa che, versando l’acqua, si sposta verso il lato del recipiente da cui proviene il fascio; le macchie sono allineate e lo spostamento è tanto maggiore quanto maggiore è lo spessore d’acqua attraversato.

2. Sul fondo del recipiente si nota una macchia luminosa a forma approssimativamente ellittica che si sposta verso il lato del recipiente da cui proviene il fascio; l’ellisse si modifica, l’asse maggiore si accorcia  via via mentre l’asse minore rimane praticamente invariato.

3. Quando il laser è puntato in direzione perpendicolare alla superficie di separazione tra aria ed acqua, il raggio prosegue indeviato. In tutti gli altri casi il percorso del raggio laser cambia direzione: il segmento rosso  visualizzato in acqua è “piegato” verso il lato del recipiente a cui è affacciato il laser pointer. Si possono vedere anche i percorsi dei raggi riflessi rispettivamente dalla superficie dell’ acqua e dal fondo del recipiente, analizzati in dettaglio nel caso della riflessione.

4. Quando il fascio laser passa dall’acqua all’aria si nota che il raggio percorre il cammino in senso inverso: si vedono ancora due “segmenti” rossi in acqua e in aria, che non sono uno il prolungamento dell’altro. Il raggio in aria si allontana dalla perpendicolare alla superficie rispetto al raggio in acqua. Aumentando l’inclinazione del laser pointer rispetto alla perpendicolare alla superficie libera dell’acqua si arriva ad un angolo oltre il quale  il raggio in aria scompare e appare un secondo raggio in acqua, intenso come il raggio incidente e con la direzione del raggio riflesso dalla superficie di separazione fra acqua ed aria.

Conclusioni e interpretazione

Quando un fascio di  luce passa da un mezzo trasparente a un altro ad ogni raggio che arriva sulla superficie di separazione fra i due mezzi (raggio incidente) corrisponde nel secondo mezzo un raggio deviato (raggio rifratto). Considerando gli angoli tra i raggi e la perpendicolare alla superficie si nota che  l’angolo fra il raggio incidente e la perpendicolare (angolo di incidenza) è maggiore dell’angolo fra il raggio rifratto e la perpendicolare (angolo di rifrazione) se la luce passa dall’aria all’acqua, e viceversa se la luce passa dall’acqua all’aria. L’acqua “avvicina” il raggio rifratto alla normale, si dice che è otticamente più “densa” dell’aria. Questo si verifica per tutti i raggi paralleli di cui si può immaginare formato il fascetto laser e per ognuno dei raggi, divergenti, che costituiscono il fascio della torcia.

La relazione tra i due angoli non è semplice come nel caso della riflessione e dipende dalla coppia di materiali considerati (si veda Approfondimenti).  Vi sono numerosi siti internet in cui vengono proposte simulazioni che permettono di ottenere rappresentazioni grafiche e valori numerici dell’angolo di rifrazione al variare dell’angolo di incidenza per diverse coppie di materiali. Vedi ad esempio http://xoomer.virgilio.it/lpirri/Fisica/appunti/Fisica128.html